Prof. dr hab. inż. Jacek Zimny

Transkrypt

1 Pompy ciepła Przygotował: Prof. dr hab. inż. Jacek Zimny

2 Historia W 1834 r. Pellet opracował podstawy teoretyczne pompy ciepła opartej na przemianach fazowych czynnika. Opisał on możliwość wykorzystania ciepła pary powstałej podczas parowania soli. Sprężona do wyższych ciśnień para skraplała się w miejscu odbioru ciepła. Z 1852 r. pochodzą pierwsze informacje na temat możliwości zastosowania pomp ciepła do ogrzewania. Ich autorem jest W. Thomson (Lord Kelvin), który opisał otwarty obieg powietrzny ze sprężarką i dwoma zbiornikami wody, spełniającymi rolę dolnego i górnego źródła ciepła. W 1928 r. T.G.Haldane zbudował pierwszą w Anglii instalację do ogrzewania domu opartą na amoniakalnym urządzeniu sprężarkowym. W pełni poprawne i eksploatowane w sposób ciągły pompy ciepła zaczęły powstawać w latach trzydziestych ubiegłego stulecia.

3 Schemat ideowy sprężarkowej pompy ciepła: P -parowacz, S -skraplacz, Sp -sprężarka, ZR -zawór rozprężny L- praca Q o -ciepło ze źródła dolnego Q -ciepło użyteczne

4 Wykres p-h Q = Q o + L Teoretyczny współczynnik wydajności grzejnej pompy Q Qo + L ϕt = = = 1 + L L Q L o Q o Q L

5

6 Pompa ciepła jest urządzeniem, które umożliwia wykorzystanie energii cieplnej źródeł o niskich temperaturach.

7 Zasada działania pomp ciepła na przykładzie pomp NEURATHERM W kolektorze poziomym (1) propan wskutek pobierania energii cieplnej zawartej w ziemi zamieniany jest w stan gazowy. Następnie przemieszczany jest do kompresora (2) gdzie w wyniku sprężenia następuje wzrost jego temperatury. Uzyskane w ten sposób ciepło poprzez wymiennik (3) oddawane jest do odbiornika (4) np. kaloryfer. Gaz po oddaniu ciepła przemieszczany jest do zaworu rozprężnego (5), w którym dokonywana jest jego zamiana ze stanu gazowego w ciekły. W tej postaci przemieszczany jest ponownie do kolektora poziomego (1).

8 Podział pomp ciepła Ze względu na zastosowanie Ze względu na rodzaj dolnego i górnego źródła ciepła Ze względu na wydajność cieplną Ze względu na mechanizm działania Ze względu na rodzaj nośnika

9 Zastosowanie W ogrzewnictwie i klimatyzacji domów jednorodzinnych i niewielkich pomieszczeń W przygotowaniu ciepłej wody użytkowej Pompy ciepła W osuszaniu i podgrzewaniu powietrza basenowego oraz wody basenowej W procesach odparowania roztworów i zagęszczenia soków, mleka, farmaceutyków

10

11

12 Współczynnik wydajności Jest to stosunek ilości ciepła użytkowego do ilości ciepła z energii napędowej Nowoczesne pompy ciepła osiągają współczynnik wydajności grzejnej 4-5 nawet do 7. Urządzenie o współczynniku 4 zapewni 20 kwh ciepła zużywając tylko 5 kwh prądu.

13 Przykładowa instalacja pompa ciepła + kolektor słoneczny

14

15 Zalety pomp ciepła Niskie koszty eksploatacji, Znaczne oszczędności energii, Wykorzystanie odnawialnych lub odpadowych źródeł energii, Chronimy środowisko naturalne, ekologiczność, Praca urządzenia jest bezszmerowa, Budynek z pompą ciepła nie potrzebuje komina, co obniża koszty budowy, Z pompą ciepła nie tracimy czasu na doglądanie i codzienne prace przy systemie grzewczym -automatyka, Możliwość współpracy z innymi urządzeniami.

16 Wady pomp ciepła Duże koszty inwestycyjne, Znaczne wymiary źródła dolnego, Dodatkowe zasilanie.

17 Efektywność energetyczna pomp ciepła ang. Heat pump niem. Wärmepumpe ros. Тепловый насос

18 W 1834 r. Pellet opracował podstawy teoretyczne pompy ciepła opartej na przemianach fazowych czynnika. Opisał on możliwość wykorzystania ciepła pary powstałej podczas parowania soli. Sprężona do wyższych ciśnień para skraplała się w miejscu odbioru ciepła. Troszkę historii Z 1852 r. pochodzą pierwsze informacje na temat możliwości zastosowania pomp ciepła do ogrzewania. Ich autorem jest W. Thomson (Lord Kelvin), który opisał otwarty obieg powietrzny ze sprężarką i dwoma zbiornikami wody, spełniającymi rolę dolnego i górnego źródła ciepła. W 1928 r. T.G.Haldane zbudował pierwszą w Anglii instalację do ogrzewania domu opartą na amoniakalnym urządzeniu sprężarkowym. W pełni poprawne i eksploatowane w sposób ciągły pompy ciepła zaczęły powstawać w latach trzydziestych ubiegłego stulecia.

19 L- praca Q o -ciepło ze źródła dolnego Q -ciepło użyteczne Schemat ideowy sprężarkowej pompy ciepła: P-parowacz, S-skraplacz, Sp-sprężarka, ZR-zawór rozprężny

20 Wykres T-s sprężanie izentropowe (1-2) skraplanie izobaryczne (2-4`) z dochłodzeniem cieczy (4`-4) dławienie izentalpowe (4-5) odparowanie izobaryczne (5-6) z przegrzaniem pary (6-1)

21 Q = Q o + L Wykres T-s Teoretyczny współczynnik wydajności grzejnej pompy Q Qo + L ϕt = = = 1 + L L Q L o Q o Q L

22 Budowa i działanie-pokaz. Pokaz działania sprężarkowej pompy ciepła

23 Szczegółowy opis

24 Pompa ciepła jest urządzeniem, które umożliwia wykorzystanie energii cieplnej źródeł o niskich temperaturach. Bilans ciepła pompy ciepła

25 Zasada działania pomp ciepła na przykładzie pomp NEURATHERM NEURATHERM Budowa i działanie-pół praktycznie W kolektorze poziomym (1) propan wskutek pobierania energii cieplnej zawartej w ziemi zamieniany jest w stan gazowy. Następnie przemieszczany jest do kompresora (2) gdzie w wyniku sprężenia następuje wzrost jego temperatury. Uzyskane w ten sposób ciepło poprzez wymiennik (3) oddawane jest do odbiornika (4) np. kaloryfer. Gaz po oddaniu ciepła przemieszczany jest do zaworu rozprężnego (5), w którym dokonywana jest jego zamiana ze stanu gazowego w ciekły. W tej postaci przemieszczany jest ponownie do kolektora poziomego (1).

26 Porównanie pomp ciepła z silnikiem i urządzeniem ziębniczym

27 Ze względu na zastosowanie Ze względu na rodzaj dolnego i górnego źródła ciepła Ze względu na wydajność cieplną Ze względu na mechanizm działania Ze względu na rodzaj nośnika

28 W ogrzewnictwie i klimatyzacji domów jednorodzinnych i niewielkich pomieszczeń Zastosowanie W osuszaniu i podgrzewaniu powietrza basenowego oraz wody basenowej W przygotowaniu ciepłej wody użytkowej W odsalaniu wody morskiej (np. podczas II wojny światowej) W procesach odparowania roztworów i zagęszczenia soków, mleka, farmaceutyków

29 Dolne źródło ciepła

30 Górne źródło ciepła

31 Przekrój

32 Bez ogrzewania podłogowego Ogrzewanie podłogowe Z ogrzewaniem podłogowym

33 Jest to stosunek ilości ciepła użytkowego Współczynnik do ilości ciepła z energii wydajności napędowej Producenci oferują pompy ciepła osiągające współczynnik wydajności grzejnej 4-5 nawet do 6. Oznacza to, że urządzenie o współczynniku 4 może przekształcić 25 kwh prądu (energia potrzebna do napędu pompy) na 100 KWh ciepła (zyskujemy więc ok. 3/4 energii, za którą nie płacimy).

34 Sprężarkowe Charakter Sorpcyjne działania Termoelektryczne Z efektem wirowym Chemiczne Strumienicowe Z efektem termodyfuzji

35 Rodzaj czynnika gazy Ciecze propan CO 2 woda amoniak

36 Ilość Produkcja pomp ciepła w USA Produkcja pomp w USA Lata

37 Sprężarkowa pompa ciepła

38 Sprężarkowa pompa ciepła z odbiorem ciepła z silnika

39 Absorpcyjna pompa ciepła

40 Kompatybilność z kolektorem słonecznym

41 Należy, zgodnie z doświadczeniem, przyjąć następujące wartości (zapotrzebowania ciepła W/m 2 ): Projekt.cz1 Stare budownictwo z nowoczesną izolacją cieplną: 75 W/m 2 ; Nowe budownictwo z dobrą izolacją cieplną (por. WSVO 95): 50 W/m 2 ; Domy energooszczędne: 30 W/m 2. Zapotrzebowanie ciepła w przypadku istniejących już budynków można obliczyć z rocznego zużycia oleju opałowego lub z rocznego zużycia gazu, według następujących równań: Q (kw) = zużycie oleju (I/a) / 250 Q (kw) = zużycie gazu (m 3 /a) / 250

42 Tryby pracy Możliwe są następujące tryby pracy: monowalentny (tylko pompa Projekt.cz2 ciepła) Pompa ciepła jest jedynym żródłem ciepła. Pompa ciepła pokrywa 100% zapotrzebowania na ciepło. Tryb pracy odpowiedni dla temperatur zasilania maks. 55 C. biwalentny (pompa ciepła i kocioł) albo monoenergetyczny (pompa ciepła i elektryczne ogrzewanie dodatkowe) Praca grzewcza zostaje podzielona pomiędzy pompę ciepła i drugi układ grzewczy.

43 Zastosowanie

44 1 kolektor słoneczny, 2 akumulacyjny zbiornik ciepła, 3 wymiennik wykorzystujący energię Zastosowanie słoneczną, 4 wymiennik wykorzystujący energię gruntu, 5 ogrzewane pomieszczenie

45 Schemat ideowy instalacji pompy ciepła z kolektorem słonecznym służącej do ogrzewania pomieszczeń i przygotowania ciepłej wody użytkowej Zastosowanie 1 kolektor słoneczny 2 ogrzewanie podłogowe 3 akumulator ciepła 4 akumulator ciepła buforowy 5 wymiennik ciepła 6 ogrzewanie gazowe

46 Zastosowanie

47 Schemat ideowy eksperymentalnego nisko-energetycznego domu używającego pompy ciepła w raz z kolektorem słonecznym Zastosowanie

48 Schemat ideowy powiązania pompy ciepła wykorzystującej ciepło zmagazynowane w ziemi z kolektorem słonecznym Zastosowanie

49 Zastosowanie

50 Dostępny w sprzedaży zestaw kolektorów słonecznych w raz z pompą ciepła firmy General Electric Weathertron Zastosowanie

51 Zastosowanie

52 Zastosowanie

53 Zastosowanie

54 Biwalentny, niskotemperaturowy system grzewczy dla budynku jednorodzinnego, wykorzystujący kolektory słoneczne, kominek z płaszczem wodnym i pompę ciepła do ogrzewania wody użytkowej oraz zasilania centralnego ogrzewania Zastosowanie

55 Globalne porównanie emisji domek jednorodzinny o zapotrzebowaniu energii grzewczej 8,8 kw. (Prąd: 50% bez emisji, np. siła wody; 50% energia kaloryczna)

56 Podgrzewacz potrzebuje na przygotowanie ciepłej wody użytkowej po pierwszym napełnieniu zbiornika 8 godzin (z temperatury 5 C do 55 C). Koszt przygotowania 300 l c.w.u. to zaledwie ok. 80 gr! Budowa pompy

57 Przykładowy wygląd pomp

58 Przykładowy wygląd pomp

59 Sterowanie

60 NEURATHERM - ISO 9002 Powierzchnia działki Typ, moc pompy PRO D 5/10 Wi 7/14 Wi 9/18 Wi 10/20 W 15/30 W Powierzchnia działki 230 m m m m m 2

61 Montaż

62 Montaż

63 Zalety: Znaczne oszczędności energii Wykorzystanie odnawialnych lub odpadowych źródeł energii Małe rozmiary Na montaż i uruchomienie całego systemu potrzebne są zaledwie 2 dni Zalety1 Pompa jest montowana na zewnątrz budynku, i nie zajmuje dodatkowego pomieszczenia Wyeliminowanie pomieszczenia przeznaczonego na kotłownię Praca urządzenia jest bezszmerowa Budynek z pompą ciepła nie potrzebuje komina, co obniża koszty budowy

64 Zalety cd.: Chronimy środowisko naturalne, ekologiczność Nie emitujemy do środowiska żadnych zanieczyszczeń, tak więc koniec ze strachem o kary nakładane przez urzędy ochrony środowiska; Zalety2 Z pompą ciepła nie tracimy czasu na doglądanie i codzienne prace przy systemie grzewczym (nad całością czuwa w pełni zautomatyzowany, elektroniczny sterownik); Za ciepło pobrane z ziemi lub wody gruntowej nie musimy płacić ani grosza! Najniższe koszty eksploatacji; Możliwość współpracy z innymi urządzeniami

65 Wady: Wady Duże koszty inwestycyjne Znaczne wymiary źródła dolnego Dodatkowe zasilanie

66 KOSZTY EKSPLOATACYJNE w PLN (przykład: powierzchnia mieszkalna 130 m 2, 50 W/m 2-6 kw) (1700 godzin roboczych w sezonie grzewczym) Gaz ziemny Pompa ciepła / GDW 7 6,5 kw x 1700 h = kwh średni współczynnik wykorzystania instalacji, gaz = 80 % wartość opałowa: 8,89 kwh/mł Koszty eksploatacji zużycie gazu: 11,050 / (8,89 x 0,8) = 1,554 mł cena gazu: 0,75 PLN/mł włącznie z VAT koszty gazu (rocznie) 1.166,00 Roczne koszty eksploatacji (z podatkiem VAT) 1.166,00 Koszty jednej kwh ilości ciepła (energii cieplnej): PLN 0,105 6,5 kw x 1700 h = kwh średni roczny współczynnik efektywności: ß = 4 zużycie prądu: / 4 = kwh cena prądu: - taryfa dzienna (62 %): 0,2645 PLN/kWh - taryfa nocna (38 %): 0,119 PLN/kWh 2763 x 0,62 x 0,2645 = 453, x 0,38 x 0,119 = 124,94 Roczne koszty eksploatacji (z podatkiem VAT) 578,04 Koszty jednej kwh ilości ciepła (energii cieplnej): PLN 0,052

67 KOSZTY EKSPLOATACYJNE w PLN (przykład: powierzchnia mieszkalna 130 m 2, 50 W/m 2-6 kw) (1700 godzin roboczych w sezonie grzewczym) Olej opałowy Pompa ciepła / GDW 7 6,5 kw x 1700 h = kwh średni współczynnik wykorzystania instalacji, olej = 70 % wartość opałowa: 10,0 kwh/kg Koszty eksploatacji zużycie oleju opałowego: / (10,0 x 0,7) = 1579 kg cena oleju opałowego: 1,04 PLN/kg koszty oleju opałowego (rocznie) 1.642,00 Roczne koszty eksploatacji (z podatkiem VAT)1.642,00 Koszty jednej kwh ilości ciepła (energii cieplnej): PLN 0,149 6,5 kw x 1700 h = kwh średni roczny współczynnik efektywności: ß = 4 zużycie prądu: / 4 = kwh cena prądu: - taryfa dzienna (62 %): 0,2645 PLN/kWh - taryfa nocna (38 %): 0,119 PLN/kWh 2763 x 0,62 x 0,2645 = 453, x 0,38 x 0,119 = 124,94 Roczne koszty eksploatacji (z podatkiem VAT) 578,04 Koszty jednej kwh ilości ciepła (energii cieplnej): PLN 0,052

68 AEG Alko-Therm Alpha-InnoTec BARTL Buderus Calmotherm CTA CTC Wärme Dimplex ELCOTHERM Elektrolux Haustechnik Grünwald Hoval Herzog Heliotherm IDM INTEGRAL Kälte-Wärme-Technik Lexeta AG Novelan Ochsner Firmy SATAG Thermotechnik SIEMENS SIXMADUN Solar u. Wärmepumpentechnik Star Unity AG Stiebel Eltron Störi Mantel Viessmann Waterkotte

69 Schemat stanowiska badawczego PRZETWORNIKI ANALOGOWY miernik energii elektrycznej MULTIPLEKSER ANALOGOWY PRZETWORNIKI CYFROWY karty pod³¹ czeniowe przetworniki analogowo - cyfrowe - czujniki temperatury - opary czynnika termodynamicznego - skropliny czynnika termodynamicznego - linia napiêcia sieciowego - linia czujników termoparowych - linia czujników opornoœciowych - linia pr¹ dowa (4-20 ma) - linia napiêciowa (1-5 V) - linia cyfrowa (TTL)

70 Sprężarkowa pompa ciepła nie różni się niczym od klasycznego sprężarkowego urządzenia ziębniczego. Stanowi ona termodynamiczny układ zamknięty, w którym krąży w sposób ciągły czynnik roboczy będący nośnikiem energii cieplnej. Podlega on następującym po sobie przemianom termodynamicznym, stanowiącym zamknięty obieg lewo bieżny, a mianowicie: sprężanie, skraplanie, rozprężanie, odparowanie.

71 Schemat pracy pompa ciepła w cyklu chłodzenia

72 Schemat pracy pompy ciepła w cyklu grzania

73 System pomiarowy Czujniki: termoparowe czujniki temperatury, czujnik natężenia przepływu powietrza, aneometr firmy Omega; Cyfrowy przetwornik temperatury, karta przetworników cyfrowo-analogowych - współpracujące z multiplekserem; Komputer architektury PC

74 Strona programowa Jako system pomiarowy, rejestrujący oraz sterujący zastosowano system operacyjny GNU/Linux. Podstawowe argumenty przemawiające za wyborem tego systemu: - większość oprogramowania oparta jest na licencji GPL (General Public License) - jest wielozadaniowy i wielodostępny - obsługuje karty analogowo-cyfrowe (sterowniki i biblioteki) - bardzo dynamicznie rozwija się - jest bezpłatny - jest stabilny o wysokim poziomie bezpieczeństwa

75 Wyniki Tab. 1 Wyniki badania efektywności pracy pompy ciepła cykl grzania Lp. średnia temp. powietrza [ o C] wsp. efektywności okres trwania pomiarów , , , , Tab. 2 Wyniki badania efektywności pracy pompy ciepła cykl chłodzenia Lp. średnia temp. wsp. efektywności okres trwania pomiarów powietrza [ o C] , , , , , ,

76

77

78

79

80 Wnioski Uzyskane wyniki pracy powietrznej pompy ciepła w warunkach rzeczywistych zarówno w systemie grzania jak i chłodzenia wykazują współczynnik wydajności cieplnej w granicach 3,19-3,64. Są to wyniki nieco niższe niż podawane przez producenta urządzenia. Wyższe współczynniki efektywności uzyskiwano w cyklu chłodzenia niż w cyklu grzania. Stwierdzono,że badane urządzenie nie nadaje się do pracy całorocznej. W przypadku próby ogrzewania w okresie zimowym zewnętrzny wymiennik ciepła ulegał szybkiemu zalodzeniu i odbiór ciepła z powietrza zewnętrznego ustawał. Urządzenie może spełniać swoje zadanie w warunkach polskich do chłodzenia powietrza w pomieszczeniach latem oraz do ogrzewania go w okresie wczesnowiosennym oraz późnojesiennym.

81 Dziękuję za uwagę